KR20130010008A

KR20130010008A - 집적화된 펄스폭 변조 인버터 및 작동 중 교환 가능한 셀 모듈들을 포함하는 커플링 유닛 및 배터리 모듈

Info

Publication number: KR20130010008A
Application number: KR1020127029939A
Authority: KR
Inventors: 슈테판 부츠만; 홀거 핑크
Original assignee: 에스비 리모티브 저머니 게엠베하; 에스비리모티브 주식회사
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2013-01-24
Also published as: EP2559137B1; US20130200693A1; TWI539714B; DE102010027861A1; TW201212471A; KR101478322B1; WO2011128153A1; ES2813857T3; CN102859833A; EP2559137A1

Abstract

본 발명에 따라 배터리 모듈을 위한 커플링 유닛이 도입되며, 이때 커플링 유닛은 제1 입력과, 제2 입력과, 제1 출력과, 제2 출력을 포함한다. 커플링 유닛은, 제1 제어 신호를 기반으로 제1 출력과 제1 입력을, 그리고 제2 출력과 제2 입력을 연결하며, 제2 제어 신호를 기반으로 해서는 제1 출력에서 제1 입력을, 그리고 제2 출력에서 제2 입력을 분리하면서, 제2 출력과 제1 출력을 연결하도록 형성된다.

Description

집적화된 펄스폭 변조 인버터 및 작동 중 교환 가능한 셀 모듈들을 포함하는 커플링 유닛 및 배터리 모듈{Coupling unit and battery module comprising an integrated pulse width modulation inverter and cell modules that can be replaced during operation}

본 발명은 배터리 모듈을 위한 커플링 유닛과, 이 커플링 유닛을 포함하는 배터리 모듈에 관한 것이다.

미래에는 정지 어플리케이션 (stationary application)뿐 아니라, 하이브리드 및 전기 차량과 같은 차량에도 배터리 시스템 도입이 증가할 것임이 명백하다. 각각의 적용 사례를 위해 전압과 공급될 수 있는 출력에 대해 지정된 요건을 충족할 수 있도록 하기 위해, 많은 수의 배터리 셀이 직렬로 접속된다. 상기 배터리로부터 공급되는 전류는 모든 배터리 셀을 통해 흘러야만 하고 하나의 배터리 셀은 제한된 전류만을 전도할 수 있기 때문에, 최대 전류를 상승시키기 위해, 추가로 배터리 셀들은 빈번하게 병렬로 접속된다. 이는 배터리 셀 케이싱(battery cell casing)의 내부에 복수의 셀 권선부(cell winding)를 제공하는 것을 통해, 또는 배터리 셀들을 외부에서 연결하는 것을 통해 이루어질 수 있다. 그러나 이 경우 정확하게 동일하지 않은 셀 정전용량 및 전압으로 인해 병렬로 접속된 배터리 셀들 간에 보상 전류(compensating current)를 초래할 수 있는 문제점이 있다.

예컨대 전기 및 하이브리드 차량에서, 또는 풍력발전소의 로터 블레이드 조정장치에서와 같은 정지 어플리케이션에도 이용되는 것과 같은 종래의 전기 구동 시스템의 기본 회로도는 도 1에 도시되어 있다. 배터리(10)는 커패시터(11)에 의해 버퍼링되는 직류 전압 중간 회로에 연결된다. 직류 전압 중간 회로에는 펄스폭 변조 인버터(12)가 연결되며, 이 펄스폭 변조 인버터는 각각 2개의 개폐형 반도체 밸브와 2개의 다이오드를 통해서 전기식 구동 모터(13)의 작동을 위해 3개의 출력에서 서로 위상 전이된 사인파 전압을 공급한다. 커패시터(11)의 정전용량은, 개폐형 반도체 밸브들 중 하나의 반도체 밸브가 통전되는 시간 기간 동안 직류 전압 중간 회로 내 전압을 안정화하기 위해서 충분히 높아야만 한다. 전기 차량과 같은 실제 적용 사례에서는 mF(밀리파라드) 범위의 높은 정전용량이 발생한다. 직류 전압 중간 회로에서 통상적으로 매우 높은 전압으로 인해 그처럼 높은 정전용량은 높은 비용과 높은 공간 요건에서만 실현될 수 있다.

도 2에는 도 1의 배터리(10)가 상세한 블록 회로도로 도시되어 있다. 다수의 배터리 셀은, 각각의 적용 사례에 대해 목표하는 높은 출력 전압 및 배터리 정전용량을 달성하기 위해, 직렬로뿐 아니라 선택에 따라서는 추가로 병렬로 접속된다. 배터리 셀들의 양극과 배터리 양극 단자(14) 사이에는 충전 및 분리 장치(16)가 접속된다. 선택에 따라 추가로 배터리 셀들의 음극과 배터리 음극 단자(15) 사이에는 분리 장치(17)가 접속될 수 있다. 분리 및 충전 장치(16)와 분리 장치(17)는 각각 배터리 단자들을 무전압 상태로 전환하기 위해 배터리 단자들로부터 배터리 셀들을 분리하도록 제공되는 접촉기(18 또는 19)(contactor)를 각각 포함한다. 그렇지 않을 경우 직렬 접속된 배터리 셀들의 높은 직류 전압으로 인해 유지보수 직원 등에 대해 상당한 위험 가능성이 있을 수 있다. 충전 및 분리 장치(16) 내에는 추가로 충전 접촉기(20)가 제공되며, 이 충전 접촉기(20)는 자체에 직렬로 접속되는 충전 저항체(21)를 포함한다. 충전 저항체(21)는, 배터리가 직류 전압 중간 회로에 연결될 때, 커패시터(11)를 위한 충전 전류를 제한한다. 이를 위해, 우선 접촉기(18)가 개방되고 충전 접촉기(20)만이 폐쇄된다. 배터리 양극 단자(14)에서의 전압이 배터리 셀들의 전압에 도달하면, 접촉기(19)가 폐쇄될 수 있고 경우에 따라 충전 접촉기(20)는 개방될 수 있다. 접촉기들(18, 19)과 충전 접촉기(20)는 배터리(10)에 대한 비용을 사소하지 않을 정도로 상승시키는데, 그 이유는 접촉기들의 신뢰성과 접촉기들에 의해 안내될 전류에 대한 요건이 높게 설정되기 때문이다.

많은 수의 배터리 셀의 직렬 접속은, 높은 총 전압 외에도, 하나의 배터리 셀에서 고장이 나면, 배터리 전체에서 고장이 나는 문제를 초래하는데, 그 이유는 배터리 전류가 직렬 접속으로 인해 모든 배터리 셀 내에서 흐를 수 있어야 하기 때문이다. 상기와 같은 배터리 고장은 시스템 전체의 고장을 초래할 수 있다. 전기 차량의 경우 구동 배터리의 고장은 차량의 고장을 초래하며, 예컨대 풍력 발전소의 로터 블레이드 조정장치와 같은 또 다른 장치들에서는 바람이 강력한 경우 심지어 안전을 위협하는 상황을 야기할 수 있다. 그러므로 배터리의 높은 신뢰성이 바람직하다. 정의에 따르면 '신뢰성'이란 개념은 사전 설정된 시간 동안 시스템의 능력을 적합하게 운영될 수 있게 하는 것을 의미한다. 또한, 배터리 시스템의 높은 가용성도 추구할 가치가 있다. 가용성이란 지정된 시점에 작동 가능한 상태에서 수리 가능한 시스템을 이용할 수 있는 확률을 의미한다.

그러므로 본 발명에 따라 배터리 모듈을 위한 커플링 유닛이 도입되며, 이때 커플링 유닛은 제1 입력과, 제2 입력과, 제1 출력과, 제2 출력을 포함한다. 커플링 유닛은, 제1 제어 신호를 기반으로 제1 출력과 제1 입력을, 그리고 제2 출력과 제2 입력을 연결하며, 제2 제어 신호를 기반으로 해서는 제1 출력에서 제1 입력을, 그리고 제2 출력에서 제2 입력을 분리하면서, 제2 출력과 제1 출력을 연결하도록 형성된다.

커플링 유닛은, 배터리 셀들의 전압이 외부에서 가용하도록, 커플링 유닛의 제1 및 제2 출력에, 제1 입력과 제2 입력 사이에 접속되는 하나 이상의 배터리 셀을 연결할 수 있게 하거나, 또는 제2 출력과 제1 출력을 연결하는 것을 통해 배터리 셀들을 브릿지함으로써 외부에서 0V의 전압을 확인할 수 있게 한다. 그에 따라 배터리 시스템의 신뢰성은 도 1에 도시된 배터리 시스템에 비해 대폭 증가될 수 있는데, 그 이유는 단일의 배터리 셀의 고장이 곧바로 배터리 시스템의 고장을 초래하지 않기 때문이다. 더욱이 배터리 시스템의 가용성은 매우 향상되는데, 그 이유는, 제1 입력과 제2 입력의 분리를 통해, 제1 및 제2 입력에 연결된 배터리 셀들을 무전압 상태로 전환하고 그런 다음 작동 중에 그 배터리 셀들을 제거하고 작동 가능한 배터리 셀들로 대체할 수 있으며, 그런 다음 대체된 작동 가능한 배터리 셀들이 다시 접속될 수 있기 때문이다.

커플링 유닛은 하나 이상의 전환 스위치를 포함할 수 있으며, 이 전환 스위치는, 제1 또는 제2 출력과 제1 및 제2 입력 중 일측의 입력을 연결하거나, 또는 제1 또는 제2 출력과 커플링 유닛의 중심점을 연결하도록 형성된다. 하나 이상의 전환 스위치를 이용하는 것을 통해, 커플링 유닛의 기능 장애 시에 결코 제1 입력이 제2 입력과 단락되지 않으며, 그에 따라 경우에 따라 연결된 배터리 셀들도 단락되지 않게 된다. 그러나 전환 스위치는 통상적으로 전기 기계식 스위치로서만 실현될 수 있으며, 이는 가격, 크기 및 고장 안전성과 관련하여 단점들을 초래한다.

대체되는 실시예에 따라, 커플링 유닛은 제1 입력과 제1 출력 사이에 접속되는 제1 스위치와, 제2 입력과 제2 출력 사이에 접속되는 제2 스위치와, 제1 출력과 제2 출력 사이에 접속되는 제3 스위치를 포함할 수 있다. 이와 같이 형성되는 커플링 유닛은 반도체 스위치들을 포함하는 실현에 대한 적합성이 특히 우수하며, 이 경우 스위치들 중 하나 이상의 스위치는 MOSFET 스위치 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 스위치로서 형성된다.

본 발명의 제2 관점은, 본 발명의 제1 관점에 따르는 커플링 유닛과, 이 커플링 유닛의 제1 입력과 제2 입력 사이에 접속되는 하나 이상의 배터리 셀, 바람직하게는 리튬 이온 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 배터리 모듈의 제1 단자는 커플링 유닛의 제1 출력과 연결되고 배터리 모듈의 제2 단자는 커플링 유닛의 제2 출력과 연결되는, 상기 배터리 모듈에 관한 것이다. 하나 이상의 배터리 셀의 전압이 배터리 모듈의 제1 및 제2 단자에서 가용하도록 해야 한다면, 커플링 유닛의 제1 입력은 커플링 유닛의 제1 출력으로 통전되고 커플링 유닛의 제2 입력은 커플링 유닛의 제2 출력으로 통전된다. 그에 반해서 배터리 모듈이 비활성화되어야 한다면, 커플링 유닛의 제1 입력은 그 제1 출력으로부터 분리되고 커플링 유닛의 제2 입력은 그 제2 출력으로부터 분리되며 커플링 유닛의 제1 입력은 그 제2 출력과 연결된다. 그럼으로써 제1 단자 및 제2 단자는 전도하는 방식으로 서로 연결되며, 그럼으로써 배터리 모듈에 대해 0V의 전압이 공급된다.

본 발명의 제3 관점은, 하나 이상의 배터리 모듈 라인, 바람직하게는 정확히 3개의 배터리 모듈 라인을 포함하는 배터리에 관한 것이다. 이 경우 배터리 모듈 라인은, 본 발명의 제2 관점에 따르고 직렬로 접속되는 복수의 배터리 모듈을 포함한다. 또한, 배터리는 커플링 유닛들을 위한 제1 및 제2 제어 신호를 생성하여 그 커플링 유닛들로 출력하도록 형성되는 제어 유닛을 포함한다.

상기 배터리는, 하나의 배터리 셀의 고장 시에도 해당하는 배터리 모듈이 비활성화될 수 있고, 그에 반해 나머지 배터리 모듈들은 계속해서 전압을 공급한다는 장점을 갖는다. 따라서 비록 배터리에 의해 최대한 공급될 수 있는 전압이 감소되기는 하지만, 배터리로 작동되는 어셈블리 내 전압의 감소가 통상적으로 상기 어셈블리의 전체 고장을 야기하지는 않는다. 더욱이, 배터리 모듈들 중 하나의 배터리 모듈이 고장 나고 비활성화되어야 한다면, 배터리 모듈들의 직렬 회로에 그에 상응하게 포함되는 수의 추가의 배터리 모듈을 제공할 수도 있다. 그럼으로써 배터리의 전압은 하나의 배터리 모듈의 고장에 의해 저하되지 않으며, 배터리의 기능성도 하나의 배터리 셀의 고장과 무관하며, 그럼으로써 전체 어셈블리의 신뢰성은 다시 대폭 증가된다. 또한, 비활성화된 배터리 모듈의 배터리 셀들은 제1 입력뿐 아니라 제2 입력의 분리를 통해 (비활성화된 배터리 모듈 자체의 비교적 낮은 전압을 제외하고는) 무전압 상태가 되며, 그에 따라 작동이 계속 이루어지는 상태에서 교환될 수 있다.

커플링 유닛들이, 앞서 설명한 것처럼, 제1, 제2 및 제3 스위치를 포함하면, 제어 유닛은 선택된 커플링 유닛의 제1 스위치 및 제2 스위치를 폐쇄하면서 그 선택된 커플링 유닛의 제3 스위치를 개방하거나, 또는 선택된 커플링 유닛의 제1 스위치 및 제2 스위치를 개방하면서 그 선택된 커플링 유닛의 제3 스위치를 폐쇄하거나, 또는 선택된 커플링 유닛의 제1, 제2 및 제3 스위치를 개방하도록 형성될 수 있다. 3개의 스위치 모두가 개방된다면, 배터리 모듈은 고저항 상태가 되며, 그럼으로써 배터리 모듈 라인 내 전류 흐름은 중단된다. 이는 유지보수의 경우에 유용할 수 있으며, 이때 예컨대 배터리 모듈 라인의 모든 배터리 모듈은, 결함이 있는 배터리 모듈, 또는 배터리 전체를 위험 없이 교환할 수 있도록 하기 위해, 고저항 상태로 전환될 수 있다. 그럼으로써 도 2에 도시된 종래 기술의 접촉기(17 및 18)는 불필요하게 되는데, 그 이유는 이미 커플링 유닛들이 배터리의 두 극에서 배터리를 무전압 상태로 전환하는 가능성을 제공하기 때문이다.

그 외에도 제어 유닛은, 제1 시점에서 선택된 배터리 모듈 라인의 커플링 유닛들의 제1 출력들과 그 선택된 배터리 모듈 라인의 커플링 유닛들의 모든 제1 입력을 연결하고, 선택된 배터리 모듈 라인의 커플링 유닛들의 제2 출력들과 그 선택된 배터리 모듈 라인의 커플링 유닛들의 모든 제2 입력을 연결하며, 그리고 제2 시점에서는 선택된 배터리 모듈 라인의 커플링 유닛들의 제1 및 제2 출력들로부터 그 선택된 배터리 모듈 라인의 커플링 유닛들의 모든 제1 및 제2 입력을 분리하면서 그 선택된 배터리 모듈 라인의 커플링 유닛들의 제1 및 제2 출력들을 연결하도록 형성될 수도 있다. 그럼으로써 제1 시점에서 선택된 배터리 모듈 라인의 완전한 출력 전압이 그 배터리 모듈 라인의 출력에 공급되며, 그에 반해 제2 시점에서는 0V의 전압이 출력된다. 그럼으로써 배터리 모듈 라인의 커플링 유닛들은, 도 1에 도시된 것처럼, 펄스폭 변조 인버터의 출력들로 직류 전압 중간 회로의 양극 또는 음극을 통전시키는 펄스폭 변조 인버터로서 작동된다. 따라서 예컨대 펄스폭 변조식 제어를 이용하는 것을 통해 거의 사인파인 출력 전압이 생성될 수 있으며, 이때 구동 모터의 모터 권선부들은 필터로서 작용한다. 그에 따라 본 발명의 배터리는 종래 기술의 펄스폭 변조 인버터의 기능을 완전하게 수행할 수 있다. 복수의 배터리 모듈 라인을 포함하는 실시예의 경우, 각각의 배터리 모듈 라인은 다른 배터리 모듈 라인들에 대해 위상 전이된 출력 전압을 생성할 수 있으며, 그럼으로써 구동 모터는 배터리와 직접 연결될 수 있다. 더욱이 이 경우 바람직하게는, 배터리의 총 정전용량이 복수의 배터리 모듈 라인에 분배되고, 그럼으로써 배터리 셀들의 병렬 접속이 생략되거나, 또는 적어도 분명히 더욱 적은 범위에서 실행될 수 있다. 그럼으로써 병렬 접속된 배터리 셀들 사이의 보상 전류가 제거되거나, 또는 적어도 감소되며, 이런 점은 배터리의 수명을 증가시킨다. 그러므로 도 1에서와 같은 단일의 직류 전압 중간 회로 대신에, 배터리 모듈 라인들이 제공되는 것만큼 많은 직류 전압 중간 회로가 제공된다. 이는 경우에 따라 제공되는 버퍼 커패시터들이 더욱 소형으로 치수화되거나, 또는 완전하게 생략될 수 있게 하는 장점을 제공한다.

배터리는 제어 유닛과 연결되는 센서 유닛을 포함할 수 있으며, 이 센서 유닛은 결함이 있는 배터리 셀을 비활성화하고 이를 제어 유닛에 표시하도록 형성된다. 이 경우 제어 유닛은, 적합한 제어 신호를 출력함으로써 결함이 있는 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 비활성화하도록 형성된다. 센서 유닛은 예컨대, 배터리 셀들의 상태를 추론하기 위해, 배터리 셀들의 셀 전압이나, 또는 배터리 셀들의 또 다른 작동 파라미터를 측정할 수 있다. 이런 경우 "결함 있는 배터리 셀"은 실제로 결함이 있는 배터리 셀일 수 있을 뿐 아니라, 자체의 현재 상태가 상대적으로 가까운 향후 시점에 배터리 셀의 실제적인 결함이 기대되는 확률이 높다는 것을 표시하는 그런 배터리 셀일 수도 있다.

본 발명의 제4 관점은, 자동차를 구동하기 위한 전기식 구동 모터와, 이전기식 구동 모터와 연결되고 본 발명의 전술한 관점에 따르는 배터리를 장착한 자동차에 관한 것이다.

본 발명의 실시예들은 도면과 하기의 설명에 따라 더욱 상세하게 설명되되, 동일한 도면 부호는 동일하거나 기능 측면에서 동일한 유형의 컴포넌트를 표시한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기식 구동 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 배터리를 도시한 블록 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 커플링 유닛을 도시한 회로도이다.
도 4는 커플링 유닛의 제1 실시예를 도시한 회로도이다.
도 5는 커플링 유닛의 제2 실시예를 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 배터리 모듈의 실시예를 도시한 회로도이다.
도 7은 본 발명에 따른 배터리의 제1 실시예를 도시한 회로도이다.
도 8은 본 발명에 따른 배터리의 추가의 실시예를 포함하는 구동 시스템을 도시한 회로도이다.

도 3에는 본 발명에 따른 커플링 유닛(30)이 도시되어 있다. 커플링 유닛(30)은 2개의 입력(31 및 32)뿐 아니라 2개의 출력(33 및 34)을 포함한다. 상기 커플링 유닛은, 제1 출력(33)과 제1 입력(31)을 연결할 뿐 아니라 제2 출력(34)과 제2 입력(32)을 연결하거나[그리고 제2 출력(34)으로부터 제1 출력(33)을 분리하거나], 또는 제2 출력(34)과 제1 출력(33)을 연결하도록[그리고 이 경우 입력들(31 및 32)을 분리하도록] 형성된다. 그 외에도, 커플링 유닛의 소정의 실시예들의 경우, 커플링 유닛은 출력들(33, 34)로부터 두 입력(31, 32)을 분리하면서도, 제2 출력(34)으로부터 제1 출력(33)을 분리하도록 형성될 수도 있다. 그러나 제2 입력(32)과 제1 입력(31)을 연결하는 점은 제공되지 않는다.

도 4에는 커플링 유닛(30)의 제1 실시예가 도시되어 있으며, 여기서는 제1, 제2 및 제3 스위치(35, 36 및 37)가 제공된다. 제1 스위치(35)는 제1 입력(31)과 제1 출력(33) 사이에 접속되고, 제2 스위치는 제2 입력(32)과 제2 출력(34) 사이에 접속되며, 제3 스위치는 제1 출력(33)과 제2 출력(34) 사이에 접속된다. 본 실시예는, 스위치들(35, 36, 및 37)이 예컨대 MOSFET나 IGBT와 같은 반도체 스위치로서 간단하게 실현될 수 있다는 장점을 제공한다. 반도체 스위치들은, 가격이 적당하고 개폐 속도도 높다는 장점을 가지며, 그럼으로써 커플링 유닛(30)은 짧은 시간 이내에 제어 신호나 제어 신호의 변화에 반응할 수 있으며, 그리고 높은 전환 속도가 달성될 수 있게 된다.

도 5에는 제1 전환 스위치(38)와 제2 전환 스위치(39)를 포함하는 커플링 유닛(30)의 제2 실시예가 도시되어 있다. 또한, 상기 두 전환 스위치(38, 39) 중 하나의 전환 스위치만이 제공되고 다른 전환 스위치는 스위치(35 및 37) 또는 스위치(37 및 36)에 의해 대체되는 실시예들도 생각해볼 수 있다. 전환 스위치들(38, 39)은 자체의 각각의 입력들 중 하나의 입력만을 자체의 출력으로 통전시킬 수 있는 반면에, 각각 나머지 입력은 분리되게 하는 기본적인 특성을 보유한다. 이는, 이용되는 스위치 또는 제어 유닛의 기능 장애 시에도 결코 커플링 유닛(30)의 제1 입력(31)이 커플링 유닛(30)의 제2 입력(32)과 연결되지 않고 따라서 연결된 배터리 셀들이 단락될 수 없게 된다는 장점을 제공한다. 전환 스위치들(38 및 39)은 특히 간단하게는 전기 기계식 스위치로서 실현될 수 있다.

도 6에는 본 발명에 따른 배터리 모듈(40)의 실시예가 도시되어 있다. 복수의 배터리 셀(41)은 커플링 유닛(30)의 입력들 사이에 직렬로 접속된다. 그러나 본 발명은 배터리 셀들의 상기 직렬 접속으로만 국한되는 것이 아니라, 단일의 배터리 셀만이 제공될 수 있거나, 또는 배터리 셀들의 병렬 접속 또는 직렬 및 병렬의 혼합형 접속도 제공될 수 있다. 커플링 유닛(30)의 제1 출력은 제1 단자(42)와 연결되고 커플링 유닛(30)의 제2 출력은 제2 단자(43)와 연결된다. 이미 설명한 것처럼, 배터리 모듈(40)은, 배터리 셀들(41)이 잔여 배터리의 커플링 유닛(30)으로부터 분리되고 그에 따라 작동 중에 위험 없이 교환될 수 있다는 장점을 제공한다.

도 7에는 n개의 배터리 모듈 라인(50-1 내지 50-n)을 포함하는 본 발명에 따른 배터리의 제1 실시예가 도시되어 있다. 각각의 배터리 모듈 라인(50-1 내지 50-n)은 복수의 배터리 모듈(40)을 포함하며, 바람직하게는 각각의 배터리 모듈 라인(50-1 내지 50-n)은 동일한 방식으로 서로 연결되는 동일한 개수의 배터리 모듈(40)을 포함하고, 각각의 배터리 모듈(40)도 동일한 방식으로 서로 연결되는 동일한 개수의 배터리 셀을 포함한다. 각각 일측의 배터리 모듈 라인의 극은 타측의 배터리 모듈 라인의 대응하는 극과 연결될 수 있으며, 이런 점은 도 7에 파선으로 도시되어 있다. 일반적으로 배터리 모듈 라인은 1보다 큰 각각의 수의 배터리 모듈을 포함할 수 있고 배터리도 각각의 수의 배터리 모듈 라인을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 모듈 라인들의 극들에는, 안전 규정에 준하여 요구된다면, 추가로 도 2에서와 같은 충전 및 분리 장치들과 분리 장치들이 제공될 수 있다. 그러나 상기 분리 장치들은 본 발명에 따라 필요하지 않는데, 그 이유는 배터리 단자들로부터 배터리 셀들의 분리가 배터리 모듈들(40) 내에 포함된 커플링 유닛들(30)에 의해 이루어질 수 있기 때문이다.

도 8에는 본 발명에 따른 배터리의 추가의 실시예를 포함하는 구동 시스템이 도시되어 있다. 도시된 실례에서 배터리는 3개의 배터리 모듈 라인(50-1, 50-2 및 50-3)을 포함하며, 이들 배터리 모듈 라인은 각각 구동 모터(13)의 입력에 직접 연결된다. 대부분 가용한 전기 모터는 3개의 위상 신호를 이용한 작동에 적합하도록 구성되어 있기 때문에, 본 발명의 배터리는 바람직하게는 정확히 3개의 배터리 모듈 라인을 포함한다. 본 발명의 배터리는, 펄스폭 변조 인버터의 기능성이 이미 배터리 내에 통합된다는 추가의 장점을 갖는다. 배터리의 제어 유닛이 배터리 모듈 라인의 모든 배터리 모듈(40)을 활성화 또는 비활성화시킴으로써, 배터리 모듈 라인의 출력에서는 0V가 가용하거나, 또는 배터리 모듈 라인의 완전한 출력 전압이 가용하다. 따라서, 펄스폭 변조 인버터에서처럼 적합한 제어를 통해, 예컨대 펄스폭 변조를 통해, 구동 모터(13)의 구동을 위한 적합한 위상 신호들이 공급될 수 있다.

그 외에도 본 발명은 이미 언급한 장점들 외에도 고전압 컴포넌트나 플러그 타입 커넥터의 개수를 절감하는 장점을 가지며, 펄스폭 변조 인버터의 냉각 시스템과 배터리의 냉각 시스템을 조합하는 가능성을 제공하며, 이 경우 배터리 셀들을 냉각하기 위해 이용되는 냉각제가 이후 펄스폭 변조 인버터[다시 말해 커플링 유닛들(30)]의 컴포넌트들을 냉각하기 위해 이용될 수 있는데, 그 이유는 펄스폭 변조 인버터의 컴포넌트들이 통상적으로 더욱 높은 작동 온도에 도달하고, 배터리 셀들에 의해 이미 가열된 냉각제에 의해서도 여전히 충분히 냉각될 수 있기 때문이다. 더욱이 배터리 및 펄스폭 변조 인버터의 제어 유닛들을 조합할 수 있으며, 그에 따라 추가 비용을 절감할 수 있다. 커플링 유닛들은 펄스폭 변조 인버터 및 배터리를 위한 집적화된 안전 개념을 제공하며, 전체 시스템의 신뢰성 및 배터리의 수명을 증가시킨다.

집적화된 펄스폭 변조 인버터를 포함하는 배터리의 추가의 장점은, 배터리가 집적화된 커플링 유닛을 포함하는 개별 배터리 모듈들로 매우 간단하게 모듈형태로 구성될 수 있다는 점이다. 그럼으로써 공유 컴포넌트들의 이용(모듈러 설계 원리)이 가능하게 된다.

Claims

배터리 모듈(40)용 커플링 유닛(30)으로서,
제1 입력(31), 제2 입력(32), 제1 출력(33)과, 및 제2 출력(34)을 포함하며, 상기 커플링 유닛(30)은 제1 제어 신호를 기반으로 상기 제1 출력(33)과 상기 제1 입력(31)을, 그리고 상기 제2 출력(34)과 상기 제2 입력(32)을 연결하며, 그리고 제2 제어 신호를 기반으로 해서는 제1 출력(33)으로부터 상기 제1 입력(31)을, 그리고 제2 출력(34)으로부터 상기 제2 입력(32)을 분리하며 상기 제2 출력(34)과 상기 제1 출력(33)을 연결하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 커플링 유닛(30).
제1항에 있어서,
제1 및 제2 출력(33, 34)을 제1 및 제2 입력(31, 32) 중 하나와 연결하거나, 또는 제1 및 제2 출력(33, 34)을 상기 커플링 유닛(30)의 중심점을 연결하도록 형성되는 하나 이상의 전환 스위치(changeover switch: 38, 39)를 포함하는, 커플링 유닛(30).
제1항에 있어서,
상기 제1 입력(31)과 상기 제1 출력(33) 사이에 접속되는 제1 스위치(35), 상기 제2 입력(32)과 상기 제2 출력(34) 사이에 접속되는 제2 스위치(36), 및 상기 제1 출력(33)과 상기 제2 출력(34) 사이에 접속되는 제3 스위치(37)를 포함하는, 커플링 유닛(30).
제3항에 있어서,
제1 스위치(35), 제2 스위치(36) 및 제3 스위치(37) 중 하나 이상의 스위치가 반도체 스위치로서, 바람직하게는 MOSFET 스위치 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 스위치로서 형성되는, 커플링 유닛(30).
배터리 모듈 (40)로서,
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따르는 커플링 유닛(30), 상기 커플링 유닛(30)의 제1 입력(31)과 제2 입력(32) 사이에 접속되는 하나 이상의 배터리 셀(41), 바람직하게는 리튬 이온 배터리 셀을 포함하며,
상기 배터리 모듈(40)의 제1 단자는 상기 커플링 유닛(30)의 제1 출력(33)과 연결되고 상기 배터리 모듈(40)의 제2 단자(43)는 상기 커플링 유닛(30)의 제2 출력(34)과 연결되는, 배터리 모듈(40).
배터리로서,
하나 이상, 바람직하게는 정확히 3개의 배터리 모듈 라인(50), 및 커플링 유닛들(30)을 위한 제1 및 제2 제어 신호를 생성하여 상기 커플링 유닛들(30)로 출력하도록 형성되는 제어 유닛을 포함하며,
상기 배터리 모듈 라인(50)은 직렬로 접속되는 복수의 제5항의 배터리 모듈(40)을 포함하는, 배터리.
제6항에 있어서,
상기 커플링 유닛들(30)은 제3항 또는 제4항에 따라 형성되고, 상기 제어 유닛은 선택된 커플링 유닛(30)의 제1 스위치(35) 및 제2 스위치(36)를 폐쇄하면서 상기 선택된 커플링 유닛(30)의 제3 스위치(37)를 개방하거나, 또는 상기 선택된 커플링 유닛(30)의 제1 스위치(35) 및 제2 스위치(36)를 개방하면서 상기 선택된 커플링 유닛(30)의 제3 스위치(37)를 폐쇄하거나, 또는 상기 선택된 커플링 유닛(30)의 제1, 제2 및 제3 스위치(35, 36, 37)를 개방하도록 형성되는, 배터리.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 제어 유닛은 제1 시점에 선택된 배터리 모듈 라인(50)의 커플링 유닛들(30)의 제1 출력들(33)과 상기 선택된 배터리 모듈 라인(50)의 커플링 유닛들(30)의 모든 제1 입력(31)을 연결하고, 선택된 배터리 모듈 라인(50)의 커플링 유닛들(30)의 제2 출력들(34)과 상기 선택된 배터리 모듈 라인(50)의 커플링 유닛들(30)의 모든 제2 입력(32)을 연결하며,
제2 시점에는 상기 선택된 배터리 모듈 라인(50)의 커플링 유닛들(30)의 제1 및 제2 출력(33, 34)으로부터 상기 선택된 배터리 모듈 라인(50)의 커플링 유닛들(30)의 모든 제1 및 제2 입력(31, 32)을 분리하면서 상기 선택된 배터리 모듈 라인(50)의 커플링 유닛들(30)의 제1 및 제2 출력(33, 34)을 연결하도록 형성되는, 배터리.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
제어 유닛과 연결되는 센서 유닛을 포함하며, 상기 센서 유닛은 결함 있는 배터리 셀(41)을 검출하여 이를 상기 제어 유닛에 표시하도록 형성되며, 상기 제어 유닛은 적합한 제어 신호들을 출력함으로써 상기 결함 있는 배터리 셀(41)을 포함하는 배터리 모듈(40)을 비활성화하도록 형성되는, 배터리.
차량으로서,
상기 차량을 구동하기 위한 전기 구동 모터(13)와, 상기 전기 구동 모터(13)와 연결되고 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 배터리를 장착한 차량.